Теплоотдача при кипении однокомпонентных жидкостей. Теплообмен при конденсации и кипении

Кипение –процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или вышеэтой температуры. При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение. Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем. При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения – пузырьковое или пленочное;

По типу конвекции – при свободной (в большом объеме) или при вынужденной;

По расположению поверхности кипения – у вертикальной, наклонной или горизонтальной поверхности;

По характеру – неразвитое, неустойчивое, развитое.

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется температурное поле (рис.5.6 ,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

При кипении на твердых поверхностях можно выделить две области с разным по характеру изменением температурного поля: тепловой пограничный слой и тепловое ядро в жидкости.

Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,прилегающий непосредственно к поверхности стенки,впределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.5.6).Тепловое ядро жидкости – вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки

или перегрев стенки может составлять величину 5 ÷ 35 °C. Дело в том, что паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в, так называемых, центрах парообразования – микровпадинах (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна.

Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T w =111,8 0 C, p н =1 бар):

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T пов.ж – температура поверхности жидкости; T w – температура поверхности теплообмена (стенки); T н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p н – давление насыщения; δ пс – толщина пограничного слоя; Q –тепловой поток от стенки к воде; G п – массовый расход пара

Для того чтобы паровой пузырь образовался в микровпадине, необходимо, чтобы ее размеры были больше некоторого минимального или критического радиуса пузырька:

, (5.25)

где – сила поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения, Н/м; – перепад давления между паром в пузыре (p п) и окружающей его жидкостью (p н). Перепад давления рассчитывают по формуле

, (5.26)

в которой r– скрытая теплота парообразования,Дж/кг; p н – давление насыщения пара, Па; – перепад температур между стенкой и жидкостью, ºC (K); R г – газовая постоянная, Дж/(кг·К); T н – температура насыщения, К.

Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус

парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров

могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Кризисы кипения.

Первый кризис кипения связан с переходом режима от пузырькового к пленочному. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности (см. рисунок). Максимальный удельный тепловой поток при пузырьковом кипении называют первым кризисом кипения qкр1. Его значение очень важно для правильного проектирования и безаварийной эксплуатации современных эффективных теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения (Вт/м2×К):

(4.1)

где Dtкр1 – критический температурный напор, К;

Для воды при атмосферном давлении qкр1 = 1,2 × 106 Вт/м2; Dtкр1 = 20 ¸ 30 К. Наибольшие значения критический тепловой поток имеет при Рн = (0,3…0,4) Ркр, для воды это Рн = 0,35× 221 @ 77 бар, где Ркр @ 221 бар.

Кривая кипения воды при Р = 1 бар:

о – удельный тепловой поток q, Вт/м2;

D – коэффициент теплоотдачи a, Вт/м2×К

Гидродинамическая трактовка кризиса кипения основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока. Тогда критический тепловой поток (Вт/м2):

Эта зависимость справедлива для кипения в большом объеме при условии свободного движения жидкости.

Второй кризис кипения происходит в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. Как видно из рисунка, это

происходит при минимальной тепловой нагрузке.

При этом паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности резко снижается. Эта минимальная тепловая нагрузка при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока qкр2, соответствующий ей температурный напор Dtкр2 отвечает минимальной точке на кривой кипения рисунка.

Величина qкр2 существенно меньше qкр1 и для воды при Р = 1 бар составляет qкр2 » 3,5×104 Вт/м2. В работе высказано предположение о том, что критическая скорость кипения пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей, откуда [Вт/м2]:

Это простое соотношение достаточно хорошо соответствует экспериментальным данным.

Кипением называется парообразование, характеризующееся возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.

Характерной особенностью процесса кипения является образование пузырьков пара. Различают кипение жидкости поверхностное и объемное .

Поверхностное кипение возникает тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение может происходить при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Пузыри пара возникают во всем объеме.

Наиболее распространено поверхностное кипение.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках этой поверхности, называемых центрами парообразования , которымиявляются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если жидкость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара легко отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, и отрывается только часть пузырька, а ножка остается на поверхности.

Рост пузырьков до отрыва от обогреваемой поверхности и движение ихпосле отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением .

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотности теплового потока число центров парообразования непрерывно увеличивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырьки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пленочным. Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара представляет большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом снижается и если количество передаваемой теплоты q остается неизменным, то, как следует из уравнения q =a(t с – t ж) ,при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки t c . Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Dt . При малых температурных напорах значение коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ ). При увеличении Dt коэффициент теплоотдачи быстро возрастает и происходит интенсивное пузырьковое кипение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипение переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Dt коэффициент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и образуют сплошную паровую пленку, которая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Dt ,aи q ,соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочный, называются критическими.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды (при давлении р = 0,02-8 МПа) рекомендуются простые расчетные формулы:

a = 3,15р 0,15 q 0,7 ; a = 46Dt 2,33 р 0,5 ,

где Dt = t с – t ж – температурный напор; р – давление пара, бар; q – плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Кипение - процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры.

При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).

Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение.

Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем.

При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения - пузырьковое или пленочное;

По типу конвекции - при свободной (в большом объеме) или при вынужденной;

По расположению поверхности кипения - у вертикальной, наклонной или горизонтальной поверхности;

По характеру - неразвитое, неустойчивое, развитое.

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется температурное поле (рис. 5.6 ,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

Тепловой пограничный слой - весьма тонкий слой жидкости, прилегающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис. 5.6).

Тепловое ядро жидкости - вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.

В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки или перегрев стенки может составлять величину 5 ÷ 35 °C. Дело в том, что паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в, так называемых, центрах парообразования - микровпадинах (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна.

Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды

(T w = 111,8 0 C, p н = 1 бар):

а - картина процесса кипения; б - распределение температуры; 1 - поверхность теплообмена (стенка); 2 - насыщенный водяной пар; 3 - поверхность воды; 4 - всплывающие паровые пузыри; 5 - внешняя граница пограничного слоя; T пов.ж - температура поверхности жидкости; T w - температура поверхности теплообмена (стенки); T н - температура насыщения жидкости при заданном давлении; p н - давление насыщения; δ пс - толщина пограничного слоя; Q - тепловой поток от стенки к воде; G п - массовый расход пара

где - сила поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения, Н/м; - перепад давления между паром в пузыре (p п) и окружающей его жидкостью (p н). Перепад давления рассчитывают по формуле

, (5.26)

в которой r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; p н - давление насыщения пара, Па; - перепад температур между стенкой и жидкостью, ºC (K); R г - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T н - температура насыщения, К.

Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Режимы кипения в большом объеме (кривая кипения)

Для анализа процесса кипения широко используется экспериментально полученная зависимость между плотностью теплового потока (q), подводимого к обогреваемой поверхности, и температурным перепадом , график которой показан на рис. 5.7. Это график в научно-технической литературе называют "кривой кипения". На этой кривой выделяют несколько интервалов , соответствующих различным режимам теплоотдачи, название которых приведено в тексте, поясняющем рис. 5.7.

Пузырьковый режим кипения наблюдается при значениях соответствующих второй области на кривой кипения. Радиус межфазной поверхности пузырька - зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, "работают" лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки - зародыши малых центров парообразования имеют радиус меньше критического. В этом случае происходит неустойчивое или слаборазвитое пузырьковое кипение. С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают. В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (см. рис. 5.7, область 2).

Интенсивность теплоотдачи обусловлена термическим сопротивлением теплопроводности тонкой жидкой пленки, которая смачивает твердую поверхность и находится под областью паровых пузырей. С увеличением количества и частоты отрыва пузырей жидкая прослойка разрушается (турбулизируется) и ее термическое сопротивление уменьшается.

Коэффициент теплоотдачи (a) при развитом пузырьковом кипении достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м 2 К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.

Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим кипения применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических и химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

При дальнейшем увеличении перегрева стенки равном перегреву жидкости в пограничном слое () интенсивность теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает снижаться (см. рис.5.7, область 3) из-за слияния все возрастающего количества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения DT и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо проводящую теплоту. Таким образом, происходит постепенный переход от пузырькового режима кипения к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности теплоотдачи.

Начало такого перехода называют первым кризисом кипения . Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоотдачи.

При дальнейшем увеличении перегрева (DT) интенсивность теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2", снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис. 5.7, области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу называют вторым кризисом кипения .

Рис. 5.7. Изменение плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от перегрева жидкости в пограничном слое

1 - конвективная область без кипения; 2 - область пузырькового кипения; 3 - переходная область; 4 - область пленочного кипения; 5 - участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 - соответственно точки первого и второго кризисов кипения

В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость от поверхности, и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой поток согласно закону Ньютона (5.1) снова начинает увеличиваться из-за возрастания температурного напора DT. Заметим, что увеличение теплового потока в области развитого пленочного кипения (при больших DT) происходит и из-за возрастания переноса теплоты излучением в паровой прослойке.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме кипения весьма низка, что приводит к сильному перегреву поверхности теплообмена.

Два вида перехода от пузырькового режима к пленочному

В зависимости от граничных условий теплообмена на поверхности теплообмена переход от пузырькового режима к пленочному может происходить, либо следуя кривой кипения (рис. 5.8, а ), либо скачкообразно (рис. 5.8, б ). Постепенный переход от развитого пузырькового кипения к пленочному имеет место при регулируемой температуре стенки (граничные условия I рода), а скачкообразный - при постоянном тепловом потоке, поступающем от стенки к жидкости (граничные условия II рода).

Для объяснения этого явления запишем формулу для расчета плотности теплового потока через тепловой пограничный слой (см. рис. 5.6):

, (5.27)

где - перепад температур в пограничном слое; - термическое сопротивление пограничного слоя; - толщина пограничного слоя (см. рис. 5.6); - коэффициент теплопроводности пограничного слоя.

При заданной постоянной температуре стенки (T w) перепад температур () не зависит от процесса теплообмена. Поэтому, при увеличении термического сопротивления пограничного слоя в переходной области вследствие ухудшения теплопроводных свойств пристенного слоя (), тепловой поток начинает уменьшаться () (см. рис. 5.8, а ).

а) ГУ I рода б) ГУ II рода

Рис. 5.8. Два вида перехода от пузырькового режима кипения к пленочному

При заданном постоянном тепловом потоке () увеличение термического сопротивления () приводит к скачкообразному росту перепада температур в пограничном слое () и, следовательно, к перегреву стенки () и возможному ее разрушению.

При снижении тепловой нагрузки переход к пузырьковому кипению произойдет скачком при минимальной тепловой нагрузке.

Расчет теплоотдачи при кипении

Все формулы расчета теплоотдачи при кипении получены на основе обработки многочисленных экспериментальных данных учеными разных научных школ. Поскольку условия проведения опыта у разных экспериментаторов точно не совпадали, то и , рассчитанные по формулам разных авторов, могут существенно отличаться. Поэтому ниже приведем только простейшие по форме, но достаточно апробированные расчетные формулы по теплоотдаче при кипении.

А. Пузырьковое кипение в большом объеме

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву жидкости и давлению p н. В силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле

(5.28)

или, выражая перепад температур из закона теплоотдачи Ньютона и подставляя в формулу (5.28), получим:

, (5.29)

где C 1 , C 2 , k, z, m, n - коэффициенты, полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных.; DT - перегрев стенки, 0 С (K); р н - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар ; q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Для расчета теплоотдачи при кипении воды формулы (5.28) и (5.29) принимают вид

(5.30)

. (5.31)

Формулу (5.30) используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (), а формулу (5.31) применяют в расчетах кипения при граничных условиях второго рода (заданная величина - плотность теплового потока (q) на поверхности стенки). Определив по формуле (5.31), несложно найти перегрев стенки (жидкости в пограничном слое) и температуру стенки

(5.32)

Б. Пленочное кипение в большом объеме

Схема пленочного кипения показана на рис. 5.9. Из рисунка видно, что наблюдается

Рис. 5.9. К расчету пленочного кипения

аналогия процессов конденсации и пленочного кипения. Поэтому формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении имеют вид:

Кипение на вертикальной поверхности

; (5.33)

Кипение на горизонтальной трубе

, (5.34)

где плотность, коэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости пара; - плотность жидкости; r - скрытая теплота парообразования.

В качестве определяющей температуры в формулах (5.33) и (5.34) принята температура насыщения при данном давлении.

В. Расчет первого кризиса кипения

Расчет максимальной плотности теплового потока при пузырьковом режиме кипения (критической тепловой нагрузки) проводят по формуле

в которой - сила поверхностного натяжения жидкости; - плотность жидкости и пара; r - скрытая теплота парообразования.

Г. Расчет теплоотдача при кипении в трубах и каналах

Теплоотдача при кипении в трубах и каналах существенно отличается от теплоотдачи при кипении в большом объёме, потому что процесс непрерывного парообразования оказывает существенное влияние на гидродинамику течения, а, следовательно, и на теплообмен. При кипении в трубах с постоянным подводом теплоты происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фазы. Гидродинамическая структура двухфазного потока также зависит от расположения труб и каналов в пространстве.

В настоявшее время математическое моделирование течения и теплообмена двухфазных потоков чрезвычайно сложная и трудоемкая задача, поэтому информацию об уровне теплоотдачи при кипении в трубах и каналах получают из эксперимента. На рис. 5.10. изображена зависимость коэффициента теплоотдачи в зависимости от плотности теплового потока, поступающего на поверхность трубы и скорости течения двухфазного флюида. При малых скоростях течения коэффициент теплоотдачи не зависит от скорости, а зависит только от теплового потока (тепловой нагрузки), поступающего к пароводяной смеси (участок 1). В этом случае расчет теплоотдачи при кипении в трубах аналогичен расчету при кипении в большом объеме. При больших скоростях двухфазного потока, наоборот, теплоотдача зависит только от скорости течения флюида - наблюдается турбулентный режим конвективного теплообмена (участок 3). Существует и переходный участок от режима кипения воды в большом объеме до режима конвективного теплообмена при турбулентном течении в трубах.

Окончательный расчет коэффициент теплоотдачи выполняют следующим образом:

а) если , то ;

б) если , то ;

в) если , то ,

где поправочный коэффициент на теплоотдачу при кипении рассчитывается по формуле:

. (5.38)

10.1. Теплообмен при кипении жидкости

В радиоэлектронных средствах, когда от нагретых элементов и узлов требуется отводить большие плотности тепловых потоков, например, более , используется процесс передачи тепла при поверхностном кипении жидкости.

Для возникновения кипения жидкости, соприкасающейся с нагретой поверхностью, необходимо некоторое превышение температуры поверхности над температурой насыщения. Под температурой насыщенияпонимается температура, при которой происходит фазовое превращение жидкости при данном давлении.

При этом слой жидкости, прилегающий к нагретой поверхности и имеющей температуру, равную температуре этой поверхности, будет перегретым.

Процесс кипения начинается в этом перегретом слое - в некоторых точках на поверхности, так называемых центрах парообразования, которыми являются микрошероховатости, различные неоднородности, возникают пузырьки пара.

Эти пузырьки в процессе испарения жидкости в перегретом слое растут и затем отрываются от теплоотдающей поверхности.

На образование пара расходуется тепло , подводимое к поверхности
, где- теплота парообразования жидкости, Дж/кг,- количество пара, обраэующегося при кипении.

При небольшом перегреве
пузырьки пара, образующиеся на нагретой поверхности, поднимаются отдельно друг от друга, не вызывая заметного перемешивания жидкости (интенсивность отвода тепла от нагретой поверхности будет небольшой). Такой режим называется малоразвитым пузырьковым кипением. Для воды при нормальном атмосферном давлении он имеет место в интервале температур от 100 до 108 0 С, т.е. при перегреве
0…8 0 С. По мере увеличения температуры поверхности и, следовательно, температурного напора
, число центров парообразования растет, процесс кипения становится более интенсивным. Отрывающиеся пузырьки сливаются в неустойчивые паровые струи, пронизывающие слои кипящей жидкости, что увеличивает ее перемешивание и улучшает омывание теплоотдающей поверхности. Отвод тепла от нагретой поверхности при этом увеличивается (рис. 10.1). Этот режим называется развитым пузырьковым кипением. Для воды при нормальном атмосферном давлении этот режим занимает интервал температур от 108 до 125 0 С (
= 8…25).

Следует отметить, что температура в объеме кипящей жидкости будет близка к температуре насыщения (для воды при нормальном атмосферном давлении превышение составляет 0,2 - 0,4 ). Перепад между температурой поверхности и кипящей жидкостью имеет место в приграничном слое, толщина которого составляет единицы миллиметров. При развитом пузырьковом кипении среднее значение конвективного коэффициента теплоотдачи выражается формулой

, (10.1.1)

где - плотность теплового потока, Вт/м 2 ,- коэффициент, зависящий от рода кипящей жидкости

. (10.1.2)

Здесь - теплопроводность жидкости,
;- коэффициент кинематической вязкости;
- поверхностное натяжение жидкости;- абсолютная температура насыщения, К;- безразмерный коэффициент, равный

где и- соответственно плотности жидкости и пара.

В выражении (10.1.2) все физические параметры берутся при температуре насыщения .

Плотность теплового потока связана с коэффициентом теплоотдачи соотношением
. Подставляяв выражение (10.1.1), после несложных преобразований получим

С учетом (10.1.2) коэффициент теплоотдачи будет выражаться формулой

. (10.1.1,а)

При некотором температурном напоре
плотность теплового потока будет максимальной - это так называемая первая критическая точка. Для воды при нормальном атмосферном давления
= 25, при этом плотность теплового потока
=
Вт/м 2 .

При значениях
пузырьки у поверхности нагрева сливаются между собой, образуя большие паровые полости. При этом доступ жидкости к поверхности затрудняется и в результате плотность теплового потока и коэффициент теплоотдачи уменьшаются, наступает переходной режим кипения. При некотором температурном напоре плотность теплового потока будет минимальной - это так называемая вторая критическая точка. Для воды эта критическая точка соответствует температурному напору
= 150
(температура нагретой поверхности составляет примерно 250), а плотность теплового потока
будет равна
=

.

При дальнейшем росте температурного напора вся поверхность обволакивается сплошной пленкой пара, контакт жидкости с теплоотдающей поверхностью исчезает, начинается устойчивый пленочный режим, который происходит при весьма высокой температуре поверхности. Толщина паровой пленки составляет доли миллиметра, а движение пара в ней, для вертикальных поверхностей, имеет турбулентный характер .

Перенос тепла здесь от нагретой поверхности к жидкости осуществляется через пленку конвекцией и, в значительной мере, тепловым излучением.

Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении может быть рассчитан по формуле

, (10.1.3)

где физические параметры среды с одним и двумя штрихами относятся соответственно к жидкости и пару, при этом параметры пара следует выбирать при его средней температуре.

При устойчивом пленочном режиме кипения коэффициент теплоотдачи практически не меняется, а плотность теплового потока будет пропорциональна температурному напору (рис. 10.1).

Следует отметить, что переходный режим является неустойчивым. При достижении перегрева поверхности, равного
, температура поверхности за доли секунды возрастает на сотни градусов (первый кризис кипения), происходит "перескок" с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же плотности теплового потока
(на рис. 10.1 показано стрелкой). Это объясняется тем, что приток тепла существенно превышает его отток от поверхности к жидкости.

Аналогичная картина наблюдается и при уменьшении тепловой энергии, подводимой к поверхности. При этом температура поверхности уменьшается, и при перегреве
происходит резкое охлаждение поверхности и смена режимов - "перескок" с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при
(второй кризис кипения).

Нормально считается, когда система охлаждения работает в режиме развитого пузырькового кипения, то есть перегрев охлаждаемой поверхности не превосходит
.

Рис. 10.1. Зависимости
и
при кипении воды

При кипении жидкостей тепло от горячей стенки передается пристенному слою. Пузырьки пара, образование которых проходит в конкретных точках поверхности кипения (центрах парообразования), в процессе роста и отрыва, оттесняют частицы перегретого слоя в ядро кипящей жидкости. За счёт этого тепла и идет нагрев жидкости (если она еще недогрета до температуры кипения) и рост паровых пузырьков, оторвавшихся от поверхности нагрева. Величина перегрева пристенного слоя жидкости зависит от тепловой нагрузки, свойств кипящей жидкости и состояния поверхности нагрева и определяется условиями существования паровых пузырьков.

Для того чтобы паровой пузырек не был раздавлен жидкостью, давление внутри пузырька должно быть выше давления над зеркалом жидкости на величину гидростатического давления на глубине погружения пузырька плюс давление, создаваемое силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар.
Размещено на реф.рф
Последняя величина обратно пропорциональна диаметру пузырька. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, отрывной диаметр парового пузырька определяется давлением пара внутри него, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ будет равно давлению насыщенных паров окружающих слоев жидкости. С другой стороны, отрывной диаметр парового пузырька определяется размером центра парообразования, который представляет собой царапины, поры или впадины на твердой поверхности. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, чем крупнее центр парообразования, тем меньшие перегревы пристенного слоя требуются для отрыва паровых пузырьков. При увеличении температуры поверхности нагрева начинают действовать центры парообразования с меньшими размерами, увеличивается число действующих центров парообразования, возрастает число отрывающихся пузырьков, растет турбулизация жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена.

На рисунке 2.8 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от разности температур стенки и насыщенных паров, которую называют кривой кипения . При температурных напорах до 1¼2 °С тепло передается преимущественно теплопроводностью (зона 1). При увеличении напора до 3¼4 °С существенную роль играет свободная конвекция (зона 2), а при более высоких перегревах до 7¼9 °С начинают действовать отдельные, наиболее крупные центры парообразования. Здесь количество тепла, передаваемое естественной конвекцией, и тепло, передаваемое по механизму теплоотдачи при кипении, соизмеримы. Паровые пузырьки всплывают в жидкости, не касаясь друг друга. Это режим неразвитого пузырчатого кипения (зона 3). Здесь коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 0,2 ¼ 0,3 . При дальнейшем увеличении температуры стенки возрастает число действующих центров парообразования, жидкость интенсивно перемешивается, наблюдается развитое пузырчатое кипение (зона 4). В начале зоны слияние пузырьков наблюдается только в верхних слоях жидкости. В зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 1,5 ¼ 2,2 . По мере увеличения температуры, область слияния пузырьков опускается к поверхности нагрева, а в точке К, называемой критической , происходит кризис кипения . Действующих центров парообразования появляется так много, что паровые пузырьки сливаются друг с другом уже в момент отрыва и образуют нестабильную паровую пленку. Наступает пленочный режим кипения (зона 6). Теплопроводность паровой пленки значительно ниже, чем теплопроводность жидкости, в связи с этим коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении резко снижается и в дальнейшем практически не меняется. Между режимами развитого пузырчатого и пленочного кипения находится довольно узкая переходная зона (зона 5). При очень больших температурных напорах существенным оказывается влияние лучистого теплообмена и коэффициент теплоотдачи вновь начинает расти (зона 7).

Для определения коэффициента теплоотдачи при кипении предложено большое число зависимостей, которые плохо согласуются друг с другом. Авторы учебника рекомендуют формулы:

a=А×j×q 0,7 р 0,171 и a=(Аj) 3,33 Ñt 2,33 р 0,57 , (2.42)

где А – постоянный сомножитель (при кипении в большом объёме А=3,02, при кипении в трубах А=3,15); q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м 2 ; Ñt – температурный напор, °С; р – давление, бар; j – относительный коэффициент теплоотдачи:

для воды j=1,

для индивидуальных веществ j=(р кр /221,2) 0,52 ,

для индивидуальных веществ и смесей j=(0,018r/М) 0,47 (m в /m) 0,06 ,

для растворов солей j=18(n в /n) 0,23 (р/р s) 0,06 ,

где р кр – критическое давление веществ, бар; r – плотность вещества, кг/м 3 ; М – молекулярная масса вещества; m в и m – динамическая вязкость воды и вещества, Па×с; n в и m – кинематическая вязкость воды и вещества, м 2 /с; р s – давление насыщенных водяных паров при температуре кипения раствора.

Для определения критического удельного теплового потока (Вт/м 2) рекомендуется формула

q к =0,15r(r¢¢) 0,5 0,25 . (2.43)

При кипении пленок, стекающих по поверхности нагрева, возможны два режима течения пленки. При ламинарном течении (при q<4000 Вт/м 2) пленки кипение не происходит, а идет испарение жидкости с её поверхности и коэффициент теплоотдачи определяется толщиной d, скоростью w и физическими свойствами пленки жидкости

При турбулентном потоке пленки в ней наблюдается пузырьковое кипение жидкости и коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

a=16,35(l/d)(dw/n) 0,26 0,69 при q=4000¼15000 Вт/м 2 ;

и a=2,6(l/d)(dw/n) 0,2 0,32 при q>15000 Вт/м 2 . (2.45)

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства